JP2014074385A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを増加させることなく安価な構成で三元触媒におけるＮＨ_３の発生を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】触媒ユニットより下流側の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブとを有し、ＥＧＲ通路を介して排気通路から排気の一部を吸気通路に還流させるＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御装置は、触媒温度Ｔ_ＳＣが予め定められた所定温度Ｔ_ＮＨ３以下であることを条件に、ＮＯｘ濃度低下制御として点火遅角制御、ＥＧＲバルブの開度増加制御、噴き分け率増加制御およびバルブオーバラップ量増加制御の少なくともいずれか１つを実行するＥＣＵを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、三元触媒の下流側から排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲシステムを搭載した内燃機関の制御装置に関する。

この種の内燃機関では、三元触媒で発生したＮＨ_３（アンモニア）と燃料中の塩素とが結合して強力な腐食反応を引き起こすＮＨ_４Ｃｌ（塩化アンモニウム）が生成され、これがＥＧＲシステム内に残留することがある。残留したＮＨ_４ＣｌがＥＧＲシステム内で発生した凝縮水によって溶解されると、高濃度の塩素イオン溶液が生成され、これが原因でＥＧＲシステムの構成部品に腐食が生じるおそれがあった。ＥＧＲシステムを搭載した内燃機関においては、腐食要因となり得るＮＨ_３を低減することが望まれていた。

従来、ＮＨ_３を除去する方法として、ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、Ｈ_２Ｏ（水）を主成分とする担体にＣｕ（銅）を担持させた触媒にＮＨ_３を含むガスを接触させてＮＨ_３を燃焼させる、ガス中のＮＨ_３浄化方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５６−１０８５１６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のＮＨ_３浄化方法では、特別にＮＨ_３除去用の触媒を必要とするため、製造コストが増加するという問題があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、コストを増加させることなく安価な構成で三元触媒におけるＮＨ_３の発生を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記目的達成のため、（１）三元触媒より下流側の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブとを有し、前記ＥＧＲ通路を介して前記排気通路から排気の一部を前記吸気通路に還流させるＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御装置であって、前記三元触媒の温度が予め定められた所定温度以下であることを条件として、前記三元触媒の上流側のＮＯｘ濃度を低下させるＮＯｘ濃度低下制御を実行する制御手段を備えた構成を有する。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、三元触媒の温度が予め定められた所定温度以下であることを条件として三元触媒の上流側のＮＯｘ濃度を低下させるＮＯｘ濃度低下制御を実行する。このため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、三元触媒でのＮＨ_３の発生量が増加する温度領域において例えば内燃機関の運転状態を制御することにより三元触媒の上流側のＮＯｘ濃度を低下させることができる。結果としてＮＯｘ濃度の上昇に伴って増加するＮＨ_３発生量を低減することができる。したがって、本発明に係る内燃機関の制御装置は、従来のようにＮＨ_３抑制用の専用の触媒を設ける必要がないので、コストを増加させることなく安価な構成でＥＧＲシステムの腐食要因となり得る三元触媒におけるＮＨ_３の発生を抑制することができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置において、（２）前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記内燃機関の点火時期を遅角させる点火遅角制御を行う構成を有する。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御として内燃機関の点火時期を遅角させる点火遅角制御を行うので、内燃機関における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記（１）または（２）に記載の内燃機関の制御装置において、（３）前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記ＥＧＲバルブの開度を増加させる開度増加制御を行う構成を有する。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御としてＥＧＲバルブの開度を増加させる開度増加制御を行うので、内燃機関における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記（１）ないし（３）に記載の内燃機関の制御装置において、（４）前記内燃機関は、吸気弁および排気弁の少なくともいずれか一方の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構を備え、前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記内燃機関の吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップ量を増加させるよう前記可変バルブタイミング機構を制御するバルブオーバラップ量増加制御を行う構成を有する。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御として内燃機関の吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップ量を増加させるバルブオーバラップ量増加制御を行うので、内燃機関における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記（１）ないし（４）に記載の内燃機関の制御装置において、（５）前記内燃機関は、燃料噴射弁として筒内噴射弁およびポート噴射弁を備え、前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記筒内噴射弁および前記ポート噴射弁における噴き分け率を増加させる噴き分け率増加制御を行う構成を有する。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御として筒内噴射弁およびポート噴射弁における噴き分け率を増加させる噴き分け率増加制御を行うことによって、ポート噴射弁による燃料噴射量に対して筒内噴射弁による燃料噴射量の比率を増加させる。これにより、内燃機関における燃焼温度を低下させることができ、結果としてＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記（１）ないし（５）に記載の内燃機関の制御装置において、（６）前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として圧縮比を低下させる圧縮比低下制御を行う構成を有する。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御として圧縮比を低下させる圧縮比低下制御を行うので、内燃機関における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、上記（１）ないし（６）に記載の内燃機関の制御装置において、（７）前記所定温度は、５５０℃である構成を有している。

この構成により、本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＮＨ_３の発生量が顕著に増大する温度領域においてのみ、ＮＯｘの発生量を低減させるＮＯｘ濃度低下制御を実行することができる。

本発明によれば、コストを増加させることなく安価な構成で三元触媒におけるＮＨ_３の発生を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る触媒ユニットでのＮＨ３の発生量と触媒温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る触媒ユニットでのＮＨ３の発生量と触媒上流側のＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るＥＣＵにより実行されるＮＯｘ濃度低下制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態における触媒上流側のＮＯｘ濃度と点火時期との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態における触媒上流側のＮＯｘ濃度とＥＧＲ開度との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ発生量と筒内／ポート噴き分け率との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ発生量とバルブオーバラップ期間との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の変形例における内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ発生量と圧縮比との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置における触媒温度検出方法の異なる態様を説明する触媒温度算出マップの説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置を装備したその内燃機関の概略構成を示している。本実施の形態に係る内燃機関は、デュアルインジェクションシステムを備えた火花点火式の多気筒内燃機関である。

まず、その構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関としてのエンジン１０は、例えば直列４気筒の４ストロークサイクルガソリンエンジンによって構成されており、図示しない車両の走行駆動源を構成している。このエンジン１０は、４つの気筒１１（図１中に１つのみ模式的に図示する）を有している。

各気筒１１には、ピストン１２で仕切られた燃焼室１３が形成されている。また、各気筒１１には、吸気弁１６と排気弁１７とが図示しない吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトを含む動弁機構により開閉可能に装備されている。さらに、各気筒１１には、燃焼室１３内に露出するよう点火プラグ１４が配置されている。

各気筒１１内のピストン１２は、コネクティングロッド（符号なし）を介してクランク軸１５の対応するクランクスルー部分に連結されている。

エンジン１０は、燃料噴射弁としてポート噴射弁２１と、筒内噴射弁２２とを備えている。ポート噴射弁２１は、燃料を吸気ポート内にて噴射する。筒内噴射弁２２は、燃料を燃焼室１３内にて直接噴射する。これらポート噴射弁２１および筒内噴射弁２２には、車両に搭載された図外の燃料タンク内の燃料ポンプにより例えばガソリン等の燃料が供給されるようになっている。

また、エンジン１０には、吸気弁１６の開弁時に燃焼室１３内に空気を吸入させることができる吸気通路１８を有する吸気装置３０と、排気弁１７の開弁時に燃焼室１３から燃焼後のガスを排出させることができる排気通路１９を有する排気装置４０とが装着されている。

吸気装置３０は、吸気管３１と、エアフローメータ３２と、スロットルバルブ３３と、スロットル開度センサ３４と、を含んで構成されている。吸気管３１は、吸気通路１８を形成するとともにその途中に図示しないサージタンク部を有する。エアフローメータ３２は、吸気管３１の上流端側の図示しないエアクリーナの近傍で吸入空気量を検出する。スロットルバルブ３３は、エアフローメータ３２とサージタンクの間に位置するよう設けられている。スロットル開度センサ３４は、スロットルバルブ３３の開度（以下、スロットル開度という）を検出する。

エアフローメータ３２により検出される新気の吸入流量は、吸入空気量を表す吸気量信号Ｑａとして電子制御装置であるＥＣＵ１００に取り込まれるようになっている。また、スロットル開度センサ３４により検出されるスロットルバルブ３３の開度は、スロットル開度信号ＡｔｈｖとしてＥＣＵ１００に取り込まれるようになっている。

排気装置４０は、排気管４１と、触媒ユニット４２と、空燃比センサ４３と、触媒温度センサ４４とを含んで構成されている。

排気管４１は、排気通路１９を形成する。また、排気管４１は、各気筒１１の排気弁１７の開弁時に対応する燃焼室１３内から排気ガスを排出させることができるよう、複数の排気枝管４１ａ（図１中に１つのみ図示している）および集合管部４１ｂを有している。

触媒ユニット４２は、三元触媒で構成され、排気浄化用のユニットとして排気管４１に装着されている。触媒ユニット４２は、公知の三元触媒４２ａを内蔵しており、燃焼室１３内の空燃比（燃焼空燃比）が理論空燃比に制御されることでエンジン１０の排気空燃比が特定空燃比に制御されているとき、エンジン１０の排気ガス中における窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を酸化還元反応によって共に高度に浄化できるようになっている。

空燃比センサ４３は、触媒ユニット４２の近傍、例えば触媒ユニット４２より下流側の排気通路１９中で排気空燃比を検出する。空燃比センサ４３は、例えば公知の濃淡電池式の排気酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）で構成されており、理論空燃比を境にして未燃燃料ガスが残るリッチ側で起電力が急峻に立ち上がる特性を有している。触媒温度センサ４４は、触媒ユニット４２の触媒温度を検出する。

また、エンジン１０には、さらにＥＧＲ装置（ＥＧＲシステム）５０が装備されている。このＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲバルブ５２と、ＥＧＲクーラ５３とを含んで構成されている。

ＥＧＲ通路５１は、触媒ユニット４２より下流側の排気通路１９と吸気通路１８とを連通するようになっている。したがって、ＥＧＲ装置５０は、このＥＧＲ通路５１を介して触媒ユニット４２より下流側の排気通路１９から排気の一部を吸気通路１８に還流させることができる。ＥＧＲ通路５１は、詳細を図示しないが、例えばＥＧＲパイプおよび排気マニホールドの一部によって形成されている。

ＥＧＲバルブ５２は、ＥＧＲ通路５１の吸気通路１８側の端部近傍に設けられ、ＥＧＲ通路５１を開閉するようになっている。また、ＥＧＲバルブ５２は、ＥＧＲ通路５１による排気再循流量の大きさを表すＥＧＲ率（排気還流率＝還流排気流量／全吸入空気流量（新気吸気量および排気再循環量を含む））を可変制御するように、その弁開度すなわちＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒを、入力される開度制御信号に応じて変化させることができるようになっている。

ＥＧＲクーラ５３は、ＥＧＲ通路５１を通る還流排気ガスをエンジン１０の冷却水との熱交換により冷却するようになっている。

また、エンジン１０は、吸気弁１６および排気弁１７の少なくともいずれか一方の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構として図示しない吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの各端部に吸気側ＶＶＴ２５および排気側ＶＶＴ２６を備えている。こうした可変バルブタイミング機構は、吸気弁１６および排気弁１７の少なくとも一方の開閉タイミングを変更可能となっており、吸気弁１６と排気弁１７が同時に開いている期間の長さ（バルブオーバラップ量の大きさ）を制御することができる。具体的には、これら吸気側ＶＶＴ２５および排気側ＶＶＴ２６は、それぞれクランク軸１５に対する吸気カムシャフトあるいは排気カムシャフトの回転位相を変化させ、バルブ開閉タイミングを変更するものである。本実施の形態では、吸気側ＶＶＴ２５および排気側ＶＶＴ２６として例えばベーン式のものを採用している。

一方、前述のＥＣＵ１００には、吸気量信号Ｑａやスロットル開度信号Ａｔｈｖに加えて、空燃比センサ４３から排気空燃比信号ＡＦや触媒温度センサ４４から温度検出信号（触媒温度Ｔ_ＳＣ）が入力される。さらに、ＥＣＵ１００は、クランク角センサ６１からクランク角信号ＣＡ、水温センサ６２からエンジン１０の冷却水温を表す冷却水温信号Ｔｗ、アクセル開度センサ６３から要求開度信号Ａｃｃｐ、図示しない他の車載ＥＣＵからの要求信号等が入力される。そして、ＥＣＵ１００は、これらの入力信号に基づいて、エンジン１０を電子制御する機能を有している。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（central processing unit）、ＲＯＭ（read only memory）、ＲＡＭ（random access memory）およびバックアップメモリを含み、さらに、Ａ／Ｄ変換器等を含む入力インターフェース回路と、ドライバやリレースイッチを含む出力インターフェース回路と、他の車載ＥＣＵとの通信インターフェース等を含んで構成されている。

このＥＣＵ１００は、ＲＯＭやバックアップメモリ（以下、ＲＯＭ等という）に格納された制御プログラムに従ってエンジン１０に要求される出力（トルクおよび機関回転数）を実現するよう、スロットルバルブ３３の開度、点火時期、燃料噴射時期および燃料噴射量等をそれぞれに制御するようになっている。

例えば、ＥＣＵ１００は、少なくともエンジン回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］および吸入空気量Ｑａに基づいて各気筒１１における点火時期τを点火プラグ１４への点火信号により制御する点火時期制御機構として機能する。また、ＥＣＵ１００は、アクセル開度センサ６３で検出されるアクセル開度Ａｃｃｐとエンジン回転数Ｎｅを基に予めの試験等により取得したマップデータから要求トルクを算出し、その要求トルクに応じた燃料噴射量を設定する。さらに、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ５２への開度Ａ_ｅｇｒの制御信号により可変制御する排気還流制御機構としても機能するようになっている。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数Ｎｅおよび機関負荷といったエンジン運転状態に基づき、エンジン１０全体としての要求燃料噴射量を求め、後述する噴き分け率に従って要求燃料噴射量が得られるようにポート噴射弁２１および筒内噴射弁２２からの燃料噴射を行うようになっている。

本実施の形態では、上述の噴き分け率を、全噴射量に占める筒内噴射量の比率として表している。したがって、その値が「１．０」のときには、全燃料の噴射が気筒内に行われ、その値が「０」のときには、全燃料の噴射が吸気ポート内に行われる。以下、このような噴き分け率を筒内／ポート噴き分け率という。

こうした筒内／ポート噴き分け率は、例えば機関負荷やエンジン回転数Ｎｅに基づき設定された運転領域に応じて予め噴き分け率マップとしてマップ化されて記憶されている。

ＥＣＵ１００は、さらに、クランク角センサ６１からクランク軸１５の回転速度Ｎｅ［ｒｐｍ］に対応するパルス信号を取り込むことで、エンジン１０のエンジン回転数Ｎｅを検出するようになっている。

さらに、ＥＣＵ１００は、触媒温度センサ４４から入力された触媒温度Ｔ_ＳＣが予め定められた所定温度Ｔ_ＮＨ３以下であることを条件として、触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度を低下させるＮＯｘ濃度低下制御を実行するようになっている。

具体的には、ＥＣＵ１００は、上述のＮＯｘ濃度低下制御として、エンジン１０の点火時期を遅角させる点火遅角制御、ＥＧＲバルブ５２の開度を増加させる開度増加制御、エンジン１０の吸気弁１６と排気弁１７とのバルブオーバラップ量を増加させるバルブオーバラップ量増加制御、筒内噴射弁２２およびポート噴射弁２１における筒内／ポート噴き分け率を増加させる噴き分け率増加制御の少なくとも１つを実行するようになっている。本実施の形態におけるＥＣＵ１００は、本発明に係る制御手段を構成する。上述した各制御については、後述する。

次に、図２を参照して、触媒ユニット４２における腐食性物質としてのＮＨ_３の発生量と触媒温度との関係について説明する。

図２に示すように、触媒ユニット４２は、三元触媒４２ａが排気ガスと接触するその表面近傍部分の温度（触媒床温度；以下、触媒温度Ｔ_ＳＣという）が所定温度Ｔ_ＮＨ３［℃］以下となると、触媒ユニット４２内での腐食性物質であるＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３が急激に増加する温度特性を有している。

具体的には、触媒ユニット４２では、所定温度Ｔ_ＮＨ３［℃］より高い温度領域においては触媒温度Ｔ_ＳＣの単位温度変化に対するＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３の変化率が比較的小さいのに対して、所定温度Ｔ_ＮＨ３［℃］以下の温度領域においては触媒温度Ｔ_ＳＣの単位温度変化に対するＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３の変化率が顕著に大きくなっている。このように、ＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３は、触媒温度Ｔ_ＳＣに依存している。ここで、所定温度Ｔ_ＮＨ３［℃］は、５５０［℃］である。

ＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３が増加すると、発生したＮＨ_３と燃料中の塩素とが結合して強力な腐食反応を引き起こすＮＨ_４Ｃｌが生成され、これがＥＧＲ装置５０内に残留することがある。残留したＮＨ_４Ｃｌは、ＥＧＲ装置５０の例えばＥＧＲ通路５１を形成するＥＧＲパイプ等の腐食の要因となり得る。

また、図３に示すように、触媒ユニット４２でのＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３は、触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度に依存しており、触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度が高くなるに従い増加する傾向を有している。したがって、触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度を低下させることができれば、ＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３を低減させることができる。

ここで、ＮＯｘ濃度は、排気ガス中に含まれるＮＯｘの割合であり、単位時間当たりのＮＯｘ発生量が増加すればＮＯｘ濃度は増加することとなる。こうしたＮＯｘ濃度あるいは単位時間当たりのＮＯｘ発生量は、エンジン１０の燃焼温度に依存しており、エンジン１０の燃焼温度が高まるほど増加する。したがって、ＮＯｘ濃度あるいは単位時間当たりのＮＯｘ発生量を低減させるためには、エンジン１０の燃焼温度を低下させる必要がある。

そこで、本実施の形態では、触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３［℃］（＝５５０［℃］）以下となったときに、ＮＨ_３の発生量Ｑ_ＮＨ３を抑制するために上述したＮＯｘ濃度低下制御が実行されるようになっている。

次に、図４を参照して、本実施の形態に係るＥＣＵ１００により実行されるＮＯｘ濃度低下制御について説明する。この制御は、エンジン１０の運転中は所定時間毎に繰り返し実行される。ここで、本実施の形態では、ＮＯｘ濃度低下制御として上述した点火遅角制御、開度増加制御、噴き分け率増加制御およびバルブオーバラップ量増加制御の全てを実行する場合について説明する。なお、これら制御を全て実行する必要はなく、必要に応じて１つあるいは複数の制御を組み合わせて実行することも可能であることは言うまでもない。

図４に示すように、ＥＣＵ１００は、まず触媒温度センサ４４からの入力値に基づき触媒温度Ｔ_ＳＣを検出する（ステップＳ１１）。

次いで、ＥＣＵ１００は、検出した触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３（＝５５０［℃］）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。

ＥＣＵ１００は、検出した触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３（＝５５０［℃］）以下でないと判断した場合（Ｔ_ＳＣ＞Ｔ_ＮＨ３）には、ＮＯｘ濃度低下制御を実行しないで本処理を終了する。つまり、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の点火時期τを通常の点火時期τ_０に設定し（ステップＳ１７）、ＥＧＲバルブ５２のＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒを通常のＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒ０に設定し（ステップＳ１８）、さらにエンジン１０における筒内／ポート噴き分け率ζを通常の筒内／ポート噴き分け率ζ_０に設定する（ステップＳ１９）とともに、吸気ＶＶＴ進角量ν_ｉｎを通常の吸気ＶＶＴ進角量ν_ｉｎ０に設定し、かつ排気ＶＶＴ進角量ν_ｏｕｔを通常の吸気ＶＶＴ進角量ν_ｏｕｔ０に設定する（ステップＳ２０）。

ここで、通常の点火時期τ_０とは、少なくともエンジン回転数Ｎｅおよび吸入空気量Ｑａに基づいて算出した点火時期である。また、通常のＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒ０とは、燃料噴射量およびエンジン回転数Ｎｅから特定される各運転状態について基本ＥＧＲ量に対応するＥＧＲバルブ開度を予めの運転試験により取得して記憶した基本ＥＧＲ量マップに基づき算出されるＥＧＲバルブ開度である。また、通常の筒内／ポート噴き分け率ζ_０とは、機関負荷やエンジン回転数Ｎｅに基づき予め記憶された噴き分け率マップを参照することにより算出される筒内／ポート噴き分け率である。さらに、通常の吸気ＶＶＴ進角量ν_ｉｎ０および通常の吸気ＶＶＴ進角量ν_ｏｕｔ０とは、エンジン１０の運転状態に基づき吸気弁１６と排気弁１７とのバルブオーバラップ量（期間）が通常設定されるバルブオーバラップ量（期間）となるような吸気ＶＶＴ進角量および排気ＶＶＴ進角量である。

一方、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１２において触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３（＝５５０［℃］）以下であると判断した場合（Ｔ_ＳＣ≦Ｔ_ＮＨ３）には、ＮＯｘ濃度低下制御としてステップＳ１３〜ステップＳ１６の各制御を行って本処理を終了する。

つまり、ＥＣＵ１００は、エンジン１０の点火時期τを通常の点火時期τ_０よりも遅角させる点火遅角制御を行う（ステップＳ１３）。この点火遅角制御により、エンジン１０の燃焼温度が低下し、図５に示すように触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度の低下が図られる。

次いで、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒを通常のＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒ０より増加させる開度増加制御を行う（ステップＳ１４）。例えば、ＥＣＵ１００は、基本ＥＧＲ量マップに基づき算出された通常のＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒ０に所定の補正係数を乗ずることにより最終ＥＧＲバルブ開度を算出し、これをＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒとして用いることができる。この開度増加制御により、ＥＧＲ率が増加することとなり吸気通路１８に還流させられる排気の流量が増加する。この結果、エンジン１０の燃焼温度が低下し、図６に示すように触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度の低下が図られる。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジン１０における筒内／ポート噴き分け率ζを通常の筒内／ポート噴き分け率ζ_０より増加させる噴き分け率増加制御を行う（ステップＳ１５）。この噴き分け率増加制御により、エンジン１０に対する全噴射量に占める筒内噴射量の比率が増加することとなる。これにより、エンジン１０の燃焼温度が低下し、図７に示すように単位時間当たりのＮＯｘ発生量が少なくなり、結果として触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度の低下が図られる。

次いで、ＥＣＵ１００は、吸気弁１６と排気弁１７とのバルブオーバラップ量（期間）を通常設定されるバルブオーバラップ量（期間）よりも増加（長く）させるよう吸気側ＶＶＴ２５および排気側ＶＶＴ２６を制御するバルブオーバラップ量増加制御を行う（ステップＳ１６）。

具体的には、ＥＣＵ１００は、吸気ＶＶＴ進角量ν_ｉｎを通常の吸気ＶＶＴ進角量ν_ｉｎ０より増加させる、すなわち吸気弁１６の開弁時期を進角させるよう吸気側ＶＶＴ２５を制御する。これと同時に、ＥＣＵ１００は、排気ＶＶＴ進角量ν_ｏｕｔを通常の吸気ＶＶＴ進角量ν_ｏｕｔ０より減少させる、すなわち排気弁１７の閉弁時期を遅角させるよう排気側ＶＶＴ２６を制御する。これにより、吸気弁１６と排気弁１７とのバルブオーバラップ量（期間）が増加（長く）させられる。なお、吸気弁１６の開弁時期の進角または排気弁１７の閉弁時期の遅角のいずれかのみを行って上述のバルブオーバラップ量（期間）を増加（長く）させるようにしてもよい。

このバルブオーバラップ量増加制御によりバルブオーバラップ量（期間）を増加（長く）させると、混合気中に残留する排気ガスの量が多くなり、この排気ガス中に含まれるＣＯ_２等の不活性ガスによって燃料室１３内の燃焼温度が低下させられる。この結果、図８に示すように、単位時間当たりのＮＯｘ発生量が少なくなり、結果として触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度の低下が図られる。なお、図８中の点線は、通常設定されるバルブオーバラップ量（期間）である。

このように、本実施形態では、図４に示すＮＯｘ濃度低下制御が短周期で繰り返されることにより、触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３以下になる運転領域では、ステップＳ１３−Ｓ１６に示すような点火遅角制御、開度増加制御、噴き分け率増加制御およびバルブオーバラップ量増加制御がＮＯｘ濃度低下制御として実行される。

一方、触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３以下とならない運転領域では、ステップＳ１７−Ｓ２０に示すような成り行きの制御が実行されることになる。

以上のように、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、触媒温度Ｔ_ＳＣが予め定められた所定温度Ｔ_ＮＨ３以下であることを条件として触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度を低下させるＮＯｘ濃度低下制御を実行する。このため、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、三元触媒４２ａでのＮＨ_３の発生量が増加する温度領域において例えばエンジン１０の運転状態を制御することにより触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度を低下させることができる。結果としてＮＯｘ濃度の上昇に伴って増加するＮＨ_３発生量を低減することができる。したがって、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、従来のようにＮＨ_３抑制用の専用の触媒を設ける必要がないので、コストを増加させることなく安価な構成でＥＧＲ装置５０の腐食要因となり得る三元触媒４２ａにおけるＮＨ_３の発生を抑制することができる。特に、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置によれば、触媒温度Ｔ_ＳＣが所定温度Ｔ_ＮＨ３以下の状態において、従来と比較して大幅に三元触媒４２ａにおけるＮＨ_３の発生量を低下させることができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御としてエンジン１０の点火時期τを遅角させる点火遅角制御を行うので、エンジン１０における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御としてＥＧＲバルブ開度Ａ_ｅｇｒを増加させる開度増加制御を行うので、エンジン１０における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御としてエンジン１０の吸気弁１６と排気弁１７とのバルブオーバラップ量を増加させるバルブオーバラップ量増加制御を行うので、エンジン１０における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、ＮＯｘ濃度低下制御として筒内噴射弁２２およびポート噴射弁２１における噴き分け率ζを増加させる噴き分け率増加制御を行うことによって、ポート噴射弁２１による燃料噴射量に対して筒内噴射弁２２による燃料噴射量の比率を増加させる。これにより、エンジン１０における燃焼温度を低下させることができ、結果としてＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

なお、本実施の形態においては、エンジン１０の圧縮比が可変でない構成について説明したが、これに限らず、例えばエンジン１０がその圧縮比を変更可能な構成であってもよい。

圧縮比を変更可能な構成としては、例えば機械的に圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構を別途設けたり、あるいは吸気弁１６の閉タイミングを変化させることで実質的な圧縮比を変更させる構成等を採用することができる。

圧縮比可変機構としては、気筒体積の変更やピストン１２のストロークの変更を行う種々の構成を採用可能であるが、例えばエンジン１０のシリンダヘッドとシリンダブロックとの相対的な位置を、アクチュエータにより変更することによりシリンダ長を可変する機構を用いることができる。かかる機構は、構成がシンプルであり、全体構成を簡略化することができる。もとより、他の可変機構、例えば中折れコンロッドを用いた構成や偏心ピストンピンを用いた構成などを採用することも差し支えない。

圧縮比可変機構を用いずに圧縮比を変更する構成では、実質的な圧縮行程が吸気弁１６が閉じた位置から上死点までの間であることを利用して、吸気弁１６の閉タイミングを変化させることで実質的な圧縮比を変化させることができるようになっている。

こうした圧縮比を変更可能なエンジン１０にあっては、上述したＮＯｘ濃度低下制御としてエンジン１０の圧縮比ηを通常の圧縮比η_０よりも低下させる圧縮比低下制御を、上記各制御（点火遅角制御、開度増加制御、噴き分け率増加制御およびバルブオーバラップ量増加制御）に加えてもよい。この場合、圧縮比低下制御を加えた全ての制御を行う以外に、圧縮比低下制御を単独で行ってもよいし、他の制御と組み合わせて行ってもよいことはもちろんである。ここで、上述した通常の圧縮比η_０とは、例えばエンジン１０の吸入空気量Ｑａ等に基づき設定される成り行き制御による圧縮比である。

この圧縮比低下制御によりエンジン１０の圧縮比ηを低下させると、エンジン１０の燃焼温度が低下し、図９に示すように触媒ユニット４２の上流側のＮＯｘ濃度の低下が図られる。

このようにエンジン１０が圧縮比を変更可能な構成である場合には、ＮＯｘ濃度低下制御として圧縮比を低下させる圧縮比低下制御を行うので、エンジン１０における燃焼温度を低下させることができる。これにより、ＮＨ_３の発生要因となるＮＯｘの発生量を低減させることができる。

また、本実施の形態においては、空燃比センサ４３が濃淡電池式の排気酸素濃度センサで構成されるものとしたが、空燃比センサ４３が触媒ユニット４２より上流側の排気空燃比を検出する限界電流型のもので構成されてもよいし、触媒ユニット４２より上流側の空燃比センサと触媒ユニット４２より下流側の酸素センサとを併有する構成とすることができる。

また、本実施の形態においては、触媒ユニット４２の触媒温度Ｔ_ＳＣを触媒温度センサ４４によって検出するものとしたが、センサによる直接温度検出に限らず、図１０に示すようなマップを用いて、エンジン１０のエンジン回転数Ｎｅおよび体積効率ＫＬを基に触媒温度Ｔ_ＳＣの概略値を間接的に検出する構成としてもよい。

ここで、体積効率ＫＬは、燃焼済みガスの排気と未燃焼ガスの吸気とによる新気の取り込み能力を表す指標で、気筒の排気量（行程容積）に対する実質的な吸入新気の体積の比に相当する。実質的な吸入新気の体積とは、エンジンの空気取入口における温度と圧力に換算した体積である。

図１０中では、温度Ｔａから温度Ｔｂへ、温度Ｔｂから温度Ｔｃへと触媒温度Ｔ_ＳＣは徐々に高くなり、温度Ｔｇが最も高い触媒温度Ｔ_ＳＣを示している。また、図１０中の温度Ｔｃが特定の温度Ｔ_ＮＨ３に対応する。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の制御装置は、コストを増加させることなく安価な構成で三元触媒におけるＮＨ_３の発生を抑制することができ、三元触媒の下流側から排気の一部を吸気通路に再循環させるＥＧＲシステムを搭載した内燃機関の制御装置に有用である。

１０…エンジン（内燃機関）、１６…吸気弁、１７…排気弁、１８…吸気通路、１９…排気通路、２１…ポート噴射弁、２２…筒内噴射弁、２５…吸気側ＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）、２６…排気側ＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）、４２…触媒ユニット、４２ａ…三元触媒、４４…触媒温度センサ、５０…ＥＧＲ装置（ＥＧＲシステム）、５１…ＥＧＲ通路、５２…ＥＧＲバルブ、１００…ＥＣＵ（制御手段）

Claims (7)

1. 三元触媒より下流側の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブとを有し、前記ＥＧＲ通路を介して前記排気通路から排気の一部を前記吸気通路に還流させるＥＧＲシステムを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記三元触媒の温度が予め定められた所定温度以下であることを条件として、前記三元触媒の上流側のＮＯｘ濃度を低下させるＮＯｘ濃度低下制御を実行する制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記内燃機関の点火時期を遅角させる点火遅角制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記ＥＧＲバルブの開度を増加させる開度増加制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は、吸気弁および排気弁の少なくともいずれか一方の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構を備え、
   前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記内燃機関の吸気弁と排気弁とのバルブオーバラップ量を増加させるよう前記可変バルブタイミング機構を制御するバルブオーバラップ量増加制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関は、燃料噴射弁として筒内噴射弁およびポート噴射弁を備え、
   前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として前記筒内噴射弁および前記ポート噴射弁における噴き分け率を増加させる噴き分け率増加制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記制御手段は、前記ＮＯｘ濃度低下制御として圧縮比を低下させる圧縮比低下制御を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記所定温度は、５５０℃であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１の請求項に記載の内燃機関の制御装置。

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